方法文章

在排水事件期间采集农业沟渠中流量加权的水样及悬浮颗粒物

DOI：

10.3791/56088

⸱

2017年11月7日

 ,  ,  , 
1Soil and Water Sciences Department, University of Florida, 2Everglades Research and Education Center, University of Florida

本文内容

摘要

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

以颗粒形式存在的养分在农业排水水中可能对总负荷产生显著贡献。本研究描述了一种新方法，可在整个排水事件期间采集来自农田渠道排水的流量加权水样及悬浮颗粒物。

摘要

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

本研究旨在描述在排水过程中从农田渠系中采集流量加权水样及悬浮颗粒物的方法。农田渠系中的养分（如磷（P））含量可能较高，且易于发生迁移。以悬浮颗粒物形式存在的磷可显著贡献排水水中总磷负荷。为在独立的排水事件期间收集悬浮颗粒物，开展了一项沉降箱实验。在整个排水事件持续期间，将农田渠系排出的水样连续收集至两个200 L的沉降箱中，以代表排放水体的一个复合子样本。最终使用伊姆霍夫沉降锥使悬浮颗粒物沉降。该过程通过从沉降箱经由沉降锥虹吸水样来实现。随后收集沉降的颗粒物用于理化分析。

引言

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

由于悬浮颗粒物在富营养化过程中的作用，特别是在农业系统中的影响，其归趋与迁移已受到大量研究的关注1,2。要深入探讨诸多环境问题，例如营养物质在水体中的内循环及其向表层水体的释放3、底质稳定性、水柱内的光照可利用性，以及最终对下游生态系统造成的水质问题4，必须对水生系统中颗粒物所含营养物质进行全面评估。以颗粒态形式（有机质或沉积物）储存的磷（P）含量通常高于水体中的含量5。Kenney et al.6 开展的一项研究表明，沉积于佛罗里达州洛赫卢萨湖的近期沉积物年代介于1900年至2006年之间，这些较新的沉积物中磷含量约为水体中磷含量的55倍。评估颗粒物对特定系统潜在影响的一种方法是，定量清查排水事件中随沉积物排出的磷储量。对这些排放颗粒物的采集与分析有助于估算其对下游敏感生态系统的营养富集影响。

暴雨事件通常只占很短的时间，但却可能贡献农田排水中大部分的磷（P）负荷排放。这是因为在短时间内需要排出大量水分，以防止田地发生洪涝。降雨强度和流量是控制地表径流中悬浮沉积物浓度的关键驱动因素7。设计能够采集流量加权....

访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。

方案

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. 数据记录仪的安装与工作原理

  1. 确定一个研究农场，并安装数据记录仪，该记录仪根据流量比例触发自动采样器采集复合流量样本，此过程需要监测渠道水位、水泵扬程转数及水泵校准方程。

ISCO 3700 采样器程序设置，环境水采样设备，科学流程。
图1： ISCO 采样器用于设定复合排水和颗粒物水样的自动采样程序。 请点击此处查看此图的放大版本。

  1. 使用安装在泵站附近进水和出水渠中的压力传感器监测农场渠道水位。
  2. 使用安装在泵头上的接近开关监测泵的转速；数据记录仪以每分钟转数（rpm）记录转速。
    注：接近开关是当相互通过时可计数 rpm 数量的金属部件，已焊接在泵....

访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。

结果

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

本研究中描述的方法使我们能够采集农场沟渠在抽水过程中排放的水和颗粒物。所收集的水和颗粒物为流量加权型，这意味着它们能够代表整个抽水过程期间的排放情况，而不仅仅是一次瞬时采样，因此能高度真实地反映所排放物质的类型。采集的水样和悬浮颗粒物可储存起来，用于分析多种物理和化学参数。本文总结了美国甘蔗种植区（EAA）内三个农场沟渠中悬浮颗粒物的部分特性。对这些颗粒物的一些理化分析表明，其有机质含量高、容重低，并富含磷等养分11。颗粒物的容重范围为0.08 g cm-3至0.11 g cm-3，有机质含量介于55%至77%之间，总磷（TP）浓度范围为2,173 mg kg-1至2,548 mg kg-1（图4）。农场沟渠中水体和悬浮沉积物的质量高度反映了当地土壤类型及周边土地利用方式的特点。在EAA地区，土壤本身有机质含量很高，有机质（OM）占比超过>50%，因此悬浮颗粒物中含有较高比.......

访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。

讨论

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

用于收集排水中颗粒物的自动采样器被放置在出口泵站数据记录仪附近。电源由12 V蓄电池提供，蓄电池通过太阳能板充电。自动采样器由现场数据记录仪控制，当出口泵运行时启动采样器，泵停止时则关闭采样器。采样器进水口管路的开口位于渠底上方0.5 m处，并处于泵站的来水方向。进水管道通过将金属钢筋插入渠底，并用扎带将进水管固定在钢筋上来固定位置。每3分钟向200 L的沉降罐中收集2 L样品，样品每日采集。在野外，使用便携式抽吸泵从桶中移除大部分采集的水样，剩余的水和沉积物被转移到带盖的26 L桶中，运回研究站并放入冰箱冷藏。次日，使用实验室抽吸泵进一步去除多余水分。

在虹吸颗粒物时，应尽量避免移除悬浮颗粒，这一点非常重要。为此，可在软管末端连接一个移液枪头，并注意使枪头保持在水体表面附近。样品储存时残留少量多余水分是正常现象。了解样品的含水量可估算其干重当量，而记录所有容器在装有样品及提取剂前后以及不含有样品和提取剂时的质量，将有助于追踪实验操作的准确性。

使用该方法收集排水的独特之处在于，它能够采集到流量加权的排水，而非瞬时取样。流量加.......

访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。

披露

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

本研究无任何利益冲突披露。

致谢

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

我们感谢 Pablo Vital 和 Johnny Mosley 在野外采样方面的帮助，以及 Viviana Nadal 和 Irina Ognevich 在实验室分析方面的协助。

....

访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。

材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
数据记录仪Campbell Scientific型号 CR1000
自动采样器ISCO型号 3700
压力传感器KPSI型号 700
翻斗式雨量计Texas Electronics型号 TR-525
氯化钾Fisher7447-40-7
氢氧化钠Fisher1310-73-2
盐酸Fisher7647-01-0
硫酸Fisher7664-93-9
过硫酸钾Fisher7727-21-1
四水合钼酸铵Fisher12054-85-2
L-抗坏血酸Fisher50-81-7
100 mg/L 无水磷酸盐标准溶液ERA061
酒石酸锑钾三水合物Fisher28300-74-5
Durapore 膜滤器MilliporeHVLP04700
Whatman #41 滤纸Whatman1441-150
固定速度往复摇床 E6010Eberbach CorporationE6010.00
一次性培养管Fisher14-961-29
Allegra 25R 离心机Becker CoulterU.S. 605168-AC
Parafilm 封口膜Bemis Company Inc PM 99913-374-12
橡树岭离心管Nalgene3119-0050
Fisherbrand 20 mL HDPE 闪烁瓶（带尿素盖）Fisher03-337-23C
Fisherbrand 天然聚丙烯广口瓶（带白色未衬里聚丙烯盖）Fisher02-912-024A
0.45 微米膜滤器Cole-Parmer货号 # UX-15945-25
100 mL 消解管Fisher TC1000-0735
玻璃漏斗Fisher03-865
Spectronic 20 Genesys 分光光度计Thermo-Fisher4001-000
QuikChemLatchat8500

参考文献

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Sims, J. T., et al. Phosphorus loss in agricultural drainage: historical perspective and current research. J. Environ. Qual. 27, 277-293 (1997).
  2. Van Esbroeck, C. J., et al. Surface and subsurface phosphorus export from agricultural fields during peak flow events over the non-growing season in regions with cool, temperate climates. J. Soil Water Conserv. 72, 65-76 (2017).
  3. Bhadha, J. H., et al.

访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。

重印与许可

申请许可以重复使用本 JoVE 文章的文本或图表

申请许可

标签

相关文章